压电MEMS超声换能器阵列声场研究

研究了一种基于微电子和微机械加工技术的六边形压电超声换能器阵列。依据活塞声源辐射声场特性,采用瑞利积分法计算了方形膜声压及指向性函数;运用惠更斯原理,仿真模拟了阵列远场声压分布。理论分析了阵元边长、阵元中心间距和阵元数目等结构参数对阵列波束宽度、方向锐度角和旁瓣级的影响。结果表明,该阵列模型不仅能完全消除栅瓣,有效抑制旁瓣,减小主瓣宽度,且在低频(约10kHz量级)范围有很高的指向性。通过优化阵列参数,可获得最佳的声压分布,进而为阵列设计和声场分析提供理论参考。     

声束扬声器的换能器方形阵列设计

提出了一种利用空气中超声波非线性传播效应制作的、可产生高指向性可听声的新型声束扬声器。为提高其输出功率、缩短研发周期,以polyvinylidenefluoride(PVDF)膜作为换能器的发声部件,设计出了一种谐振频率可调的换能器。在此基础上,比较了换能器线性阵列与方形阵列的三维指向性问题,指出线性阵列无法像方形阵列一样产生预期的圆柱形声波传播空间分布,并由此指出声束扬声器的换能器阵列采用方形阵列设计较为合理。     

声束扬声器的声频定向换能器阵列指向性研究

利用空气中超声波非线性传播效应制作一种可产生高指向性可听声的新型声束扬声器。以聚偏氟乙烯(PVDF)膜作为声频定向换能器的发声部件,根据惠更斯原理分析、讨论了声束扬声器单个换能器及换能器阵列的指向性,并指出当无法使点声源间的间距小于或等于声波波长的1/2时,可以通过增加点声源的个数来获得高指向性声波,使旁瓣的幅值得到有效抑制。     

半导体激光器阵列的远场分布模型和分布特性研究

从亥姆霍兹方程出发,以单管半导体激光器(LD)分布特性为基础,提出了半导体激光器阵列(LDA)远场分布模型,模型理论仿真结果与LDA实际测试数据符合地很好,实验结果表明:在LDA能量分布95%的主要区域内,该理论模型拟合测量数据的误差小于5%.且理论模型和实验结果同时证明:在传输距离达到一定值后,LDA光束截面的光强分布在平行结平面方向一直呈双峰结构.     

多元线性阵列超声换能器的方向特性研究

为了进一步提高多元线性阵列超声换能器的方向特性,采用多元相控聚焦的方法,研究了多元线性阵列超声换能器的主频、阵元个数和阵元间距对其方向性的影响。结果表明,当超声换能器的主频较低时,可以采用较大尺寸的阵元组;而对于主频较高的超声换能器,阵元尺寸应该取小一些,其方向性较好。这将有利于光声信号的探测与成像。     

基于遗传算法的超声换能器阵列优化设计

声频定向传输系统可向外发射具有高指向性的声波信号,在工业、医疗和军事等领域具有重要的研究意义和价值。换能器阵列作为该系统中最关键的一环,仍存在成本高,能量转化率低和设备结构复杂等缺点。该文采用遗传算法对阵列布局方式进行优化设计,分析了阵元排列方式和数目对阵列指向性的影响,以达到在减少阵元使用数量的同时有效抑制旁瓣的目的。仿真实验表明,采用遗传算法优化后的阵列可使用更少的阵元数目,同时获得更低的旁瓣,使能量更集中在主瓣方向。因此,该方法可降低阵列设计的复杂度和制造成本,对于声频定向传输系统的改进具有一定的借鉴意义。     

压电换能器无线能量传输技术研究

阐述了一种利用压电换能器进行无线能量传输的方法,既保证了密闭容器内外能量的传输,又可以避免对容器做物理穿透.搭建了三明治结构的能量传输实验系统,并对不同直径的压电换能器片对应的接收声压进行比较.为了减少界面反射,避免回波及多径传播损耗,系统中进一步加入了发送端和接收端阻抗匹配网络,并根据实际测试结果确定了最佳匹配参数.能量传输效率、能量传输增益的对比实验表明,压电陶瓷片传能结构可达到47％的能量传输效率,输出功率可达到15 W以上.     

压电微型超声换能器阵列设计及焊缝检测应用

针对现有焊缝检测存在换能器尺寸大,带宽窄,成本高和应用灵活性差等局限,该文研制出一种八通道压电微型超声换能器阵列探头。阻抗频率和回波特性测试结果表明,理论模型能有效地指导超声换能器阵列设计,工作频率偏差不超过2%,-6 dB相对带宽可达87.85%。利用探头实现了对25 mm厚度的标准对接钢板试块内部缺陷的准确识别,检测分辨率优于1 mm。该探头体型小且各阵元能独立或协同工作,扫描模式应用灵活,可为焊接钢板的健康监测提供技术参考。     

一种新型远红外声光调制器

介绍一种新型远红外声光调制器,采用高品质因子Ge单晶(III)方向传声作为声光介质,铌酸锂晶体作为压电换能器,工作中心频率为80MHz;还介绍了两种散热结构,经测试比较,环绕散热结构比背面散热结构的衍射效率提高10%,而且光斑质量也明显变好,较大地提高了远红外声光调制器的性能,利用10W高频驱动功率,测得锗声光器件的峰值衍射效率为65%。它的成功为声光调制器在激光雷达、远距离目标跟踪等方面的远红外技术应用,具有实际意义。     

压电换能器设计与能量获取特性研究

压电材料具有机电能量转换的特性,因此可将振动能转换成电能,以达到能源回收再利用的目的。本论文针对单层压电悬臂梁在其自由端放置质量块的情况下进行低频振动的能量获取进行特性研究。依据低频环境振动的特点,建立了以末端固定质量块的压电悬臂梁结构作为换能元件的振动能量采集装置的模型,在对压电材料的特性、电流等效电路分析的基础上,讨论了压电悬臂梁能量获取特性随几何因子的变化规律。     

阵元损坏对换能器阵指向性的影响研究

针对阵元损坏造成超声换能器阵指向性变化的问题,该文从理论上推导了圆形活塞换能器平面阵指向性计算公式,并以之对换能器损坏后指向性变化情况进行了分析.研究表明,圆环形阵列中心装置处换能器损坏对指向性的影响远大于圆周上换能器损坏造成的影响;换能器损坏后,并不是每个定向面内的指向性都变差,但其总体指向性无疑会变差.     

非理想条件下换能器阵列指向性研究

该文针对非理想条件下换能器阵列指向性设计问题,建立了理论计算模型,并对呈正态分布和泊松分布的阵元振速及相位对换能器阵列三维指向性的影响规律进行了研究,通过仿真分析发现:非理想条件下换能器阵元性能的不一致性对阵列指向性的影响主要体现在指向性角和指向性三维对称分布两个方面,频率越低,影响越大;不同分布规律的阵元振速及相位对换能器阵列指向性的影响有差异,即其离散度越大影响越显著。该文提出的这种非理想条件下换能器阵列指向性的评估与分析方法可应用于指导换能器阵列指向性设计及大批量生产时换能器阵列指向性参数控制中,兼具理论指导意义与实际工程应用价值。     

小孔列阵远场衍射光强分布

导出了Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ近似下小孔列阵衍射光强的分布函数，详细计算了单色光均匀照明下的衍射光强，给出了一些新的结果，并对小孔列阵的远场适用条件作了探讨。     

影响超声换能器阵指向性的几个关键因素研究

在声频定向参量阵发射系统中,需采用若干个超声换能器阵元组成发射阵列,换能器阵元的数目和排列位置会对发射阵的指向性产生重大影响.该文分别从单个阵元的指向性和不同形状的换能器阵列的指向性两方面进行了研究.仿真试验结果表明,对于单个换能器阵元,随着其尺寸大于波长,换能器呈现愈强的指向性;对于换能器阵列,面积相当、换能器个数相同的矩形换能器阵指向性优于圆形换能器阵,增加换能器阵列的阵元个数有利于抑制旁瓣,提高其指向性.     

相控阵线阵换能器的三维成像方法研究

随着现代工业的发展,由于传统的二维超声成像检测反映的缺陷空间信息过于片面,已经不满足实际的检测需求。因此,超声三维成像检测技术应运而生。超声三维成像技术包括丰富的缺陷空间信息,对工件的无损评价有实质性的帮助。该研究借助可视化工具包（VTK）绘制平台,采用编码器触发的一维线阵换能器对工件进行全覆盖式扫查,将每个截面的相控阵线阵换能器扫查所得的A扫波形信号进行横向排列处理,绘制出各个截面的B扫图像。提出了最临近插值绘制法,将各个截面的B扫图像进行堆叠,重构工件的三维图像。通过对试块的三维成像结果表明,该成像方法能准确地反映缺陷的空间信息。     

一维线形超声相控阵换能器辐射声场研究

在相控阵超声工业无损检测中,超声换能器的声场分布直接决定着被检测区域的回波信息特征,从而影响检测结果。本文通过研究超声波在固体介质中的传播规律,建立了超声相控阵换能器在介质中辐射声场的数学模型,数值模拟了在一层、两层介质中相控阵换能器的辐射声场图,声场结果为更形象直观的了解声场变化和检测结果评估提供理论依据。